2013毕业设计(论文)-轿车齿轮齿条转向器的设计01654.doc
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1、安徽工程大学毕业设计(论文) - 1 - 齿轮齿条转向器设计齿轮齿条转向器设计 摘摘 要要 此次设计针对一款用于轿车的齿轮齿条转向器。论文详细讲述了该转向系统的基 本构成、作用、技术要求以及整体的性能。与此同时,对该齿轮齿条转向器,进行了 细致的布局,并对其空间结构进行详细的分析,确定转向器的结构和布置形式,精确 分析其啮合传动的特点和传动效率。再根据该款轿车的各项数据,进行设计计算,确 定转向器的传动比和其它几何参数。由此,接下来利用三维建模软件 PROE 画出转向器 的各部分零件,并由此得出各部分零件图。进而组装,得出其装配图。再在此基础上, 转换格式,导入到 ADMAS 软件中进行运动仿
2、真分析。 时代在前进,科技也不断向前发展,新技术,新材料层出不穷。齿轮齿条转向器, 在不断的技术积累中,也得到了不断的创新提高,不断的向着轻便化,智能化的方向 发展。 关键词关键词:轿车;转向系统;齿轮齿条;转向器;传动比 安徽工程大学毕业设计(论文) - 2 - Gear rack steering gear design Abstract The design of pinion and rack steering gear is for cars. Papers detail the basic structure of the steering system, function, te
3、chnical requirements and overall performance. At the same time, the steering rack and pinion, for a detailed layout and its spatial structure detailed analysis to determine the structure and arrangement of the steering, accurate analysis of the characteristics of the gear transmission and transmissi
4、on efficiency. According to the data of cars which carry out design calculations determine the steering gear ratio and other geometric parameters. Thus, the use of 3 d modeling software PROE draw the steering parts, each part and draw the parts drawing. Further assembly; come to its assembly drawing
5、. On this basis, then, the conversion format, imported into ADMAS software for motion simulation. Age in progress, is also continuous development of science and technology, new technology, new material emerge in endlessly. Pinion and rack steering gear, in constant accumulation, has been constantly
6、innovation, constantly toward portable, intelligent direction. Keywords: saloon car; steering system; pinion and rack; steering gear; transmission ratio 安徽工程大学毕业设计(论文) - 3 - 目目 录录 引言引言.6 第一章第一章 绪论绪论.7 1.1 转向系统的设计要求.7 1.2 转向器的功用及分类.8 1.2.1 转向器的功用8 1.2.2 转向器的分类9 1.2.3 齿轮齿条转向器的优缺点10 1.3 汽车转向器国内外现状及发展趋势
7、.10 1.3.1 国内外现状10 1.3.2 转向系的发展发展趋势11 1.4 设计的主要内容.12 第二章第二章 转向器的设计计算转向器的设计计算.13 2.1 转向系主要参数的确定.13 2.1.1 转向系传动比的确定13 2.1.2 动力缸的设计计算15 2.2 齿轮齿条转向器设计计算.17 2.2.1 主要设计参数的选择17 2.2.2 齿轮齿条参数的计算17 2.2.3 按齿根弯曲疲劳强度计算校核18 2.2.4 按齿面接触疲劳强度校核18 第三章第三章 转向器三维模型的建立转向器三维模型的建立.19 3.1 转向器方向盘的建立过程.19 3.2 齿轮齿条模型建立的过程.22 3.
8、2.1 小齿轮的建立过程22 3.2.2 齿条的创建24 3.2.3 动力缸的建立27 3.3 转向器的装配过程.28 第四章第四章 转向器的运动仿真分析转向器的运动仿真分析.30 4.1 MSC.ADAMS 软件介绍 30 4.2 三维模型的导入过程和定义约束.31 4.2.1 模型的导入31 4.2.2 定义约束32 4.3 仿真实验与结果分析33 结论与展望结论与展望.36 致谢致谢.37 参考文献参考文献.38 附录附录 A 外文文献及其译文外文文献及其译文.39 附录附录 B 参考文献及摘要参考文献及摘要.51 插图清单 安徽工程大学毕业设计(论文) - 4 - 图 1-1 转向系6
9、 图 3-1 扫描对话框18 图 3-2 轨迹18 图 3-3 截面22 图 3-4 方向盘圆盘22 图 3-5 方向盘圆盘内部线条规划23 图 3-6 内部设计线条23 图 3-7 方向盘效果图24 图 3-8 关系对话框25 图 3-9 小齿轮效果图27 图 3-10 齿条效果图28 图 3-11 动力缸效果图29 图 3-12 部分零件图29 图 3-13 整体效果图30 图 4-1 文件导入对话框35 图 4-2 整体效果图35 图 4-3 方向盘转动角38 图 4-4 转向节转向角38 图 4-5 齿条位移图(一)38 图 4-6 齿条位移图(二)39 表格清单 表 1 齿轮主要设计
10、参数17 安徽工程大学毕业设计(论文) - 5 - 引引 言言 汽车产业是国民经济中支柱性的高科技产业,改革开放 30 年以来,中国汽车工业 不断壮大,形成了中国特色的多样化、多层次的消费市场。然而人们对汽车的性能需 求也越来越高。汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了,它是机械、电子、材料等学 科的综合产物。随着科学技术的发展,市场对汽车性能的要求也越来越高,特别是汽车 的操纵稳定性,成为当代汽车研究的一个重要方面转向系的好坏直接影响到汽车的操 纵稳定性、转向轻便性以及驾驶员的工作强度和工作效率,因此转向系统的设计是汽 车设计中很重要的一个部分。 汽车在行驶过程中,经常需要换车道和转弯。驾驶员通
11、过一套专门的机构汽车转 向系,使汽车改变行驶方向。转向系还可以修正因路面倾斜等原因引起的汽车跑偏。 转向系统不仅关系到汽车行驶的安全,还关系到延长轮胎寿命、降低燃油油耗等。伴 随着现代汽车工业的发展而不断进步,高速公路和高架公路的出现,同向并行车辆的 增多和行驶速度的提高及道路条件的变化,要求更加精确灵活的转向系统。 安徽工程大学毕业设计(论文) - 6 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 转向系统的设计要求 转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构,包括转向操纵机构(转向盘、 转向上、下轴、 ) 、转向器、转向传动机构(转向拉杆、转向节)等。转向系统应准确, 快速、平稳地响应驾驶员的转向指
12、令,转向行使后或受到外界扰动时,在驾驶员松开 方向盘的状态下,应保证汽车自动返回稳定的直线行使状态。 图 1-1 转向系 1-方向盘; 2-转向上轴 ;3-托架; 4-万向节; 5-转向下轴; 6-防尘罩 ;7-转向器 ;8- 转向拉杆 一般来说,对转向系统的要求如下: 转向系传动比包括转向系的角传动比(方向盘转角与转向轮转角之比)和转向系 的力传动比。在转向盘尺寸和转向轮阻力一定时,角传动比增加,则转向轻便,转向 灵敏度降低;角传动比减小,则转向沉重,转向灵敏度提高。转向角传动比不宜低于 15-16;也不宜过大,通常以转向盘转动圈数和转向轻便性来确定。一般来说,轿车转 向盘转动圈数不宜大于
13、4 圈,对轿车来说,有动力转向时的转向力约为 2050;无动 力转向时为 50100N。 转向轮应具有自动回正能力。转向轮的回正力来源于轮胎的侧偏特性和车轮的定 位参数。汽车的稳定行使,必须保证有合适的前轮定位参数,并注意控制转向系统的 内部摩擦阻力的大小和阻尼值。 转向杆系和悬架导向机构共同作用时,必须尽量减小其运动干涉。应从设计上保 安徽工程大学毕业设计(论文) - 7 - 证各杆系的运动干涉足够小。 转向器和转向传动机构的球头处,应有消除因磨损而产生的间隙的调整机构以及 提高转向系的可靠性。 转向轴和转向盘应有使驾驶员在车祸中避免或减轻伤害的防伤机构。汽车在作转 向运动时,车轮应绕同一瞬
14、心旋转,不得有侧滑;同时,转向盘和转向轮转动方向一 致。 当转向轮受到地面冲击时,转向系统传递到方向盘上的反冲力要尽可能小。在任 何行使状态下,转向轮不应产生摆振。机动性是通过汽车的最小转弯半径来体现的, 而最小转弯半径由内转向车轮的极限转角、汽车的轴距、主销偏移距决定的,一般的 极限转角越大,轴距和主销偏移距越小,则最小转弯半径越小。 转向灵敏性主要通过转向盘的转动圈数来体现,主要由转向系的传动比来决定。 操纵的轻便性也由转向系的传动比决定,但其与转向灵敏性是一对矛盾,转向系的传 动比越大,则灵敏性提高,轻便性下降。为了兼顾两者,一般采用变传动比的转向器, 或者采用动力转向,还有就是提高转向
15、系的正效率,但过高正效率往往伴随着较高的 逆效率。 转向时内外车轮间的转角协调关系是通过合理设计转向梯形来保证的。对于采用 齿轮齿条转向器的转向系来说,转向盘与转向轮转角间的协调关系是通过合理选择小 齿轮与齿条的参数、合理布置小齿轮与齿条的相对位置来实现的,而且前置转向梯形 和后置转向梯形恰恰相反。 转向轮的回正能力是由转向轮的定位参数(主销内倾角和主销后倾角)决定的, 同时也受转向系逆效率的影响。选取合适的转向轮定位参数可以获得相应的回正力矩, 但是回正力矩不能太大又不能太小,太大则会增加转向沉重感,太小则会使回正能力 减弱,不能保持稳定的直线行驶状态。转向系逆效率的提高会使回正能力提高,但
16、是 会造成“打手”现象。 转向系的间隙主要是通过各球头皮碗和转向器的调隙机构来调整的。合理的选择 转向梯形的断开点可以减小转向传动机构与悬架导向机构的运动干涉。 1.2 转向器的功用及分类 1.2.1 转向器的功用 转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构,在汽车转向行驶时,保证各转 向轮之间有协调的转角关系。汽车转向系统就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方 向。 转向器作为转向系的重要组成部分,其作用如下: 1、增大来自转向盘的转矩,使之达到足以克服转向轮与路面之间的转向阻力矩 ; 2、将与转向传动轴连接在一起的主动齿轮的转动,转换成齿条的直线运动而获得所需 要的位移 ; 3、通过选取不同
17、的螺(蜗)杆上的螺纹螺旋方向,达到使转向盘的转向方向与转向轮 转动方向协调一致的目的。 4、增大由转向盘传到转向节的力并改变力的传递方向,获得所要求的摆动速度和角度。 对转向系提出的要求有: 安徽工程大学毕业设计(论文) - 8 - 1) 汽车转弯行驶时,理想情况下全部车轮应绕瞬时转向中心旋转,车轮不应有侧 滑。否则会加速轮胎磨损,并降低汽车的行驶稳定性; 2) 汽车转向行驶后,在驾驶员松开转向盘的条件下,转向轮能自动返回到直线行驶 位置,并稳定行驶; 3) 汽车在任何行驶状态下,转向轮都不得产生自振,转向盘没有摆动; 4) 转向传动机构和悬架导向装置共同工作时,由于运动不协调使车轮产生的摆动
18、应 最小; 5) 保证汽车有较高的机动性,具有迅速和小转弯行驶能力; 6) 操纵轻便; 7) 转向轮碰撞到障碍物以后,传给转向盘的反冲力要尽可能小; 10)进行运动校核,保证转向轮与转向盘转动方向一致。 1.2.2 转向器的分类 汽车转向系统分为两大类: 机械转向系统和 动力转向系统。完全靠驾驶员手 力操纵的转向系统称为 机械转向系统 ;借助动力来操纵的转向系统称为 动力转向 系统。动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。对于 转向器按结构形式可分为多种类型。历史上曾出现过许多种形式的转向器,目前较常 用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球式转向器等。 齿轮齿条式转向器
19、: (1)结构 主要由转向齿轮、转向齿条、转向器壳、调整螺钉等组成。 (2)工作过程 驾驶员通过转向操纵机构,转向齿轮转动,从而使转向齿条移动,转向齿条通 过转向直拉杆,转向摆杆和左右转向横拉杆,使两车轮绕主销偏转。 蜗杆曲柄指销式: (1)结构 主要由摇臂轴、指销、蜗杆等组成。 (2)工作过程 它是以蜗杆为主动件,曲柄销为从动件的转向器。蜗杆具有梯形螺纹,手指状的 锥形指销用轴承支承在曲柄上,曲柄与转向摇臂轴制成一体。转向时,通过转向盘转 动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转,一边绕转向摇臂轴做圆弧运动,从 而带动曲柄和转向垂臂摆动,再通过转向传动机构使转向轮偏转 循环球式转向器 :
20、(1)结构 循环球式转向器一般有两级传动副组成:第一级是螺杆螺母传动副;第二级一 般采用齿条齿扇传动副。 (2)工作过程 这种转向装置是由齿轮机构将来自转向盘的旋转力进行减速,使转向盘的旋转运 动变为涡轮蜗杆的旋转运动,滚珠螺杆和螺母夹着钢球啮合,因而滚珠螺杆的旋转运 安徽工程大学毕业设计(论文) - 9 - 动变为直线运动,螺母再与扇形齿轮啮合,直线运动再次变为旋转运动,使连杆臂摇 动,连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动,改变车轮的方向。它的原理相当于利 用了螺母与螺栓在旋转过程中产生的相对移动,而在螺纹与螺纹之间夹入了钢球以减 小阻力,所有钢球在一个首尾相连的封闭的螺旋曲线内循环滚动,循
21、环球式故而得名。 1.2.3 齿轮齿条转向器的优缺点 齿轮齿条转向器是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和 齿条。转向轴带动小齿轮旋转时,齿条便做直线运动。所以,这是一种最简单的转向 器。齿轮齿条式转向器因其结构简单、价格低廉、质量轻、刚性好、使用可靠,近年 来在世界,特别是在欧洲得到广泛的应用,现在除了在轿车上使用外,在轿车上使用 外,在轻型汽车、微型汽车、赛车上也得到了推广。 优点: (1) 构造筒单,结构轻巧。由于齿轮箱小,齿条本身具有传动杆系的作用,因此,它不需 耍循环球式转向器上所使用的拉杆。 (2) 因齿轮和齿条直接啮合,操纵灵敏性非常高。 (3) 滑动和转动阻力
22、小,转矩传递性能较好,因此,转向力非常轻。 (4) 转向机构总成完全封闭,可免于维护。 (5) 刚度大,使转向系统的自由行程变小 (6) 可自动补偿齿轮和齿条见产生的间隙,并有均匀的固有阻尼。 缺点: (1) 由于摩擦较小,所以冲击敏感性较高。 (2) 当采用两端输出结构时,转向拉杆长度受到限制,容易与悬架系统导向机构产生 跳动干涉。 (3) 转向传动比随车轮转角的增加而下降。 (4) 采用可变速比时,普通工艺较难实现。 1.3 汽车转向器国内外现状及发展趋势 1.3.1 国内外现状 转向器是转向系主要构成的关键零件,随着电子技术在汽车中的广泛应用,转向 装置的结构也有很大变化。从目前使用的普
23、遍程度来看,主要的转向器类型有 4 种: 有蜗杆指销式(WP 型)、蜗杆滚轮式(WR 型)、循环球式(BS 型)、齿轮齿条式(RP 型)。 这四种转向器型式,已经被广泛使用在汽车上。 据了解,在世界范围内,汽车循环球式转向器占 45左右,齿条齿轮式转向器占 40左右,蜗杆滚轮式转向器占 10左右,其它型式的转向器占 5。循环球式转向 器一直在稳步发展。我国的转向器生产,除早期投产的解放牌汽车用蜗杆滚轮式转向 器,东风汽车用蜗杆肖式转向器之外,其它大部分车型都采用循环球式结构,并都具 有一定的生产经验。目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器,并已在第二代 换型车上普遍采用了循环球式转向器。由
24、此看出,我国的转向器也在向大量生产循环 球式转向器发展。 安徽工程大学毕业设计(论文) - 10 - 在国外,循环球式转向器实现了专业化生产,同时以专业厂为主、大力进行试验 和研究,大大提高了产品的产量和质量。在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器 就以成本低、质量好、产量大,逐步占领日本市场,并向全世界销售它的产品。德国 ZF 公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从 1948 年开始生产 ZF 型转向器, 年产各种转向器 200 多万台。还有一些比较大的转向器生产厂,如美国德尔福公司 SAGINAW 分部;英国 BURM#0;AN 公司都是比较有名的专业厂家,都有很大的产量和销
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